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Development of multi-element catalysts using extrapolative machine learning methods

Research Project

Project/Area Number 22KF0006
Project/Area Number (Other) 22F22049 (2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022)
Section外国
Review Section Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

清水 研一  北海道大学, 触媒科学研究所, 教授 (60324000)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) LI LINGCONG  北海道大学, 触媒科学研究所, 外国人特別研究員
Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords不均一系触媒 / 機械学習 / データ科学 / インフォマティクス / 触媒インフォマティクス
Outline of Research at the Start

材料に求められる機能や役割が高度化する中で、多元素化・複合化により未踏物質探査空間を開拓する必要性が高まっている。物質を構成する元素の組み合わせはほぼ無限にあるため、効率的に物質探査を進める戦略的な取組が必要となるが、現状ではそのような研究方法論は確立されていない。本研究では、本問題解決に向けて、データ科学的手法と実験を組み合わせた新しい研究方法論を用いて、既存研究の延長線上にない真に革新的な材料開発を行う。

Outline of Annual Research Achievements

触媒を含む材料化学の研究は、未だに「絨毯爆撃のようなスクリーニング」の時代にとどまっている。研究者は、これまで大量の実験データ、文献知識、経験的な知識を統合して、予測や仮説を形成してきた。しかしながら、ますます増加するデータや知識を消化し、目的に適した仮説を提供できる研究者は存在しない。人知による研究は限界に達しており、材料化学研究のアプローチを刷新するために、先進的なデータサイエンス技術を導入する必要がある。本研究では、探索的提案が可能な機械学習モデルを開発し、革新的な高性能触媒の創出に貢献する研究方法論を提案することを目指した。
文献データを用いて外挿的提案が可能な機械学習モデルの構築した。構築されたモデルでは、触媒構成要素そのものを学習に使用するのではなく、特徴量(原子半径、電気陰性度、融点など)と構成比の積を予測記述子(元素記述子)として使用することで、元々のデータセットに含まれている元素に縛られることなく、有望な触媒候補元素を提案することが可能になる。また、実際の触媒組成を提案する逆問題を解くためのアルゴリズムも作成し、新しい触媒の提案にも挑戦した。実際に、実験と機械学習のループを繰り返すことで、多元素触媒の開発も行った。反応としては、CO2水素化反応を行い、研究開始当初に見出していた触媒の活性を上回る高活性多元素触媒の開発に至った。予測だけでなく、機械学習モデルから化学的/物理的な示唆を得ることにも成功した。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2023 2022

All Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 8 results) Presentation (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Rb-Ni/Al2O3 as dual functional material for continuous CO2 capture and selective hydrogenation to CO2023

    • Author(s)
      Li Lingcong、Zhang Ningqiang、Wu Ziyang、Miyazaki Shinta、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
    • Journal Title

      Chemical Engineering Journal

      Volume: 477 Pages: 147199-147199

    • DOI

      10.1016/j.cej.2023.147199

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Continuous direct air capture and methanation using combined system of membrane-based CO2 capture and Ni-Ca based dual functional materials2023

    • Author(s)
      Lingcong Li, Shinta Miyazaki, Ziyang Wu, Takashi Toyao, Roman Selyanchyn, Zen Maeno, Shigenori Fujikawa, Ken-ichi Shimizu
    • Journal Title

      Applied Catalysis B: Environmental

      Volume: 339 Pages: 123151-123151

    • DOI

      10.1016/j.apcatb.2023.123151

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Chemical Looping Dry Reforming of Methane over Ni-Modified WO3/ZrO: Cooperative Work of Dispersed Tungstate Species and Ni over the ZrO2 Surface2023

    • Author(s)
      Miyazaki Shinta、Li Zirui、Li Lingcong、Toyao Takashi、Nakasaka Yuta、Nakajima Yasushi、Shimizu Ken-ichi、Maeno Zen
    • Journal Title

      Energy & Fuels

      Volume: 37 Issue: 11 Pages: 7945-7957

    • DOI

      10.1021/acs.energyfuels.3c00875

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Continuous CO2 capture and methanation over NiCa/Al2O3 dual functional materials2023

    • Author(s)
      Li Lingcong、Wu Ziyang、Miyazaki Shinta、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 13 Issue: 4 Pages: 2213-2219

    • DOI

      10.1039/d2ra07554g

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High-loading Ga-exchanged MFI zeolites as selective and coke-resistant catalysts for nonoxidative ethane dehydrogenation2022

    • Author(s)
      Huang Mengwen、Yasumura Shunsaku、Li Lingcong、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
    • Journal Title

      Catalysis Science & Technology

      Volume: 12 Issue: 3 Pages: 986-995

    • DOI

      10.1039/d1cy01799c

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Continuous CO2 Capture and Selective Hydrogenation to CO over Na-Promoted Pt Nanoparticles on Al2O32022

    • Author(s)
      Li Lingcong、Miyazaki Shinta、Yasumura Shunsaku、Ting Kah Wei、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
    • Journal Title

      ACS Catalysis

      Volume: 12 Issue: 4 Pages: 2639-2650

    • DOI

      10.1021/acscatal.1c05339

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Experimental and Theoretical Investigation of Metal-Support Interactions in Metal-Oxide-Supported Rhenium Materials2022

    • Author(s)
      Mine Shinya、Ting Kah Wei、Li Lingcong、Hinuma Yoyo、Maeno Zen、Siddiki S. M. A. Hakim、Toyao Takashi、Shimizu Ken-ichi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 126 Issue: 9 Pages: 4472-4482

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c00955

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The reducibility and oxidation states of oxide-supported rhenium: experimental and theoretical investigations2022

    • Author(s)
      Ting Kah Wei、Mine Shinya、Ait El Fakir Abdellah、Du Pengfei、Li Lingcong、Siddiki S. M. A. Hakim、Toyao Takashi、Shimizu Ken-ichi
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 24 Issue: 46 Pages: 28621-28631

    • DOI

      10.1039/d2cp04784e

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] CO2 capture and selective hydrogenation to CO over Na-modified Pt nanoparticles on Al2O32023

    • Author(s)
      Shinta Miyazaki, Lingcong Li, Takashi Toyao, Zen Maeno, Ken-ichi Shimizu
    • Organizer
      2023 International Conference on Advanced Nano-Micro Materials
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-04-28   Modified: 2024-12-25  

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